Untersuchung und Implementierung eines dedizierten Hardware-Moduls zur interaktiven Soundsynthese

Am Fachgebiet „Architekturen und Systeme" des Instituts für Mikroelektronische Systeme werden im Rahmen eines Forschungsvorhabens im Bereich Medizintechnik programmierbare und dedizierte Architekturen für ein echtzeitfähiges, akustisches Bewegungsfeedback mit einer möglichst geringen Latenzzeit untersucht. Es soll ein Demonstrator erstellt werden, der die durch Inertialsensoren erfassten Bewegungen dem Benutzer auditiv darstellt (Bewegungssonifikation). Ein mögliches Anwendungsgebiet stellt die Rehabilitationstherapie bei Schlaganfall-Patienten dar.

In diesem Projektkontext wird am Institut die interaktive Erzeugung von Klängen untersucht. Optimierungsziele sind dabei die effiziente Umsetzung hinsichtlich Energieverbrauch und Hardwarekosten unter Berücksichtigung der maximalen Systemlatenz. In der Referenz-Software werden im Rahmen des Projekts Klanggeneratoren zur Erzeugung eines Sinus- und Streichinstrumentenklanges eingesetzt. Weiterhin erfolgt eine additive Synthese basierend auf Sinusgeneratoren. In Voruntersuchungen wurde bereits die Beschleunigung der Soundsynthese durch Instruktionssatzerweiterungen auf ASIP-Plattformen analysiert.

Herr Henning erhält die Aufgabe, VHDL-Module zur Soundsynthese zu konzipieren und analysieren. Basierend auf der Software-Beschreibung der projektrelevanten Klanggeneratoren zur Erzeugung eines Sinus- und Streichinstrumentenklanges sollen Hardware-Module zur Klangerzeugung erstellt werden. Eine Emulationsplattform hierfür stellt das Digilent ZedBoard, ein System-On-Chip Entwicklungsboard dar. Die erstellten VHDL-Modul sollen auf eine Taktfrequenz von 100 MHz ausgelegt werden. Die Implementierung soll dabei unter Berücksichtigung der Latenzanforderungen der Bewegungssonifikation eine effiziente Nutzung der Ressourcen erreichen. Hinsichtlich der Parametrisierbarkeit sind Anpassungen der Klanggeneratoren über zu den Steuerparametern der Software-Referenz korrespondierende Parameter vorzusehen. In der abschließenden Evaluation soll neben der Skalierbarkeit in Bezug auf die additive Synthese die Energieeffizienz und Latenz im Vergleich zur Ausführung der Soundsynthese auf dem Prozessor-Subsystem des Zynq SoCs untersucht werden.